Скачать статью в pdf.

УДК 631.33.024.2

DOI: 10.15507/2658-4123.034.202402.229-243

Обоснование параметров комбинированного сошника в цифровом двойнике методом дискретных элементов

Мударисов Салават Гумерович
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой мехатронных систем и машин аграрного производства Башкирского государственного аграрного университета (450001, Российская Федерация, г. Уфа, ул. 50-летия Октября, д. 34), ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9344-2606, Researcher ID: G-2217-2018, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Фархутдинов Ильдар Мавлиярович
кандидат технических наук, доцент кафедры мехатронных систем и машин аграрного производства Башкирского государственного аграрного университета (450001, Российская Федерация, г. Уфа, ул. 50-летия Октября, д. 34), ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6443-8584, Researcher ID: G-2816-2018, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Багаутдинов Рустам Юнирович
аспирант кафедры мехатронных систем и машин аграрного производства Башкирского государственного аграрного университета (450001, Российская Федерация, г. Уфа, ул. 50-летия Октября, д. 34), ORCID: https://orcid.org/0009-0005-5908-5269, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Аннотация
Введение. Наиболее перспективным для моделирования процессов обработки почвы является метод дискретных элементов. Моделирование методом дискретных элементов позволяет создать цифровой двойник технологического процесса взаимодействия рабочих органов с почвой и провести анализ работы почвообрабатывающих и посевных машин с разными конструктивно-технологическими параметрами, а также спрогнозировать энергетические и агротехнические показатели работы орудий. При этом для увеличения точности прогнозирования результатов, полученных в ходе реализации виртуальной модели, необходимо сопоставлять данные с результатами лабораторных и полевых исследований.
Цель исследования. Разработать цифровой двойник почвенного канала методом дискретных элементов и оптимизировать с помощью него основные конструктивнотехнологические параметры комбинированного сошника.
Материалы и методы. Для моделирования процесса взаимодействия сошника с почвой методом дискретных элементов в качестве образца контакта выбрана усовершенствованная модель Герца ‒ Миндлина. В таком случае создается виртуальный почвенный канал, который заполняется сферическими частицами диаметром 10 мм с заданными реологическими параметрами выбранной модели контакта. Основными конструктивными факторами для проведения компьютерных экспериментов в целях их оптимизации приняты угол наклона долота сошника α и угол наклона бороздообразователя β, в качестве выходного параметра оптимизации – тяговое сопротивление сошника R.
Результаты исследования. Реализация многофакторных экспериментов на цифровом двойнике почвенного канала в программе Rocky DEM позволила оптимизировать конструктивно-технологические параметры комбинированного сошника: угол наклона долота α = 75о, угол наклона бороздообразователя β = 21о, расстояние между долотом и бороздообразователем по вертикали ∆a = 11–14 мм.
Обсуждение и заключение. В результате моделирования установлено, что тяговое сопротивление сошника растет по квадратичной зависимости от его рабочей скорости. Увеличение поверхностной энергии контактной модели также ведет к росту тягового сопротивления сошника.

Ключевые слова: моделирование технологического процесса, посев, обработка почвы, сошник, тяговое сопротивление, модель контакта, модель Герца ‒ Миндлина, модель Джонсона ‒ Кендалла ‒ Робертса, виртуальный почвенный канал

Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Финансирование: исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-76-10070.

Для цитирования: Мударисов С. Г., Фархутдинов И. М., Багаутдинов Р. Ю. Обоснование параметров комбинированного сошника в цифровом двойнике методом дискретных элементов // Инженерные технологии и системы. 2024. Т. 34, № 2. С. 229–243. https://doi.org/10.15507/2658-4123.034.202402.229-243

Заявленный вклад соавторов:
С. Г. Мударисов – формулирование основной концепции исследования, литературный анализ, интерпретация результатов исследований, подготовка начального варианта текста и выводов.
И. М. Фархутдинов – разработка методики экспериментальных исследований, обработка экспериментальных данных, разработка компьютерной модели, проведение машинных экспериментов.
Р. Ю. Багаутдинов – изготовление экспериментального сошника, проведение лабораторных экспериментов.

Поступила в редакцию 15.01.2024; поступила после рецензирования 29.01.2024;
принята к публикации 15.02.2024

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Cundall P.A, Strack O.D.L. A Discrete Numerical Model for Granular Assemblies. Géotechnique. 1979;29(1):47–65. https://doi.org/10.1680/geot.1979.29.1.47

2. Ucgul М., Fielke J., Saunders C. Three-Dimensional Discrete Element Modelling of Tillage: Determination of a Suitable Contact Model and Parameters for a Cohesionless Soil. Biosystem Engineering. 2014;121(2):105–117. https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2014.02.005

3. Roessler T., Katterfeld A. DEM Parameter Calibration of Cohesive Bulk Materials Using a Simple Angle of Repose Test. Particuology. 2019;45:105–115. https://doi.org/10.1016/j.partic.2018.08.005

4. Barr J.B., Ucgul M., Desbiolles J.M., Fielke J.M. Simulating the Effect of Rake Angle on Narrow Opener Performance with the Discrete Element Method. Biosystems Engineering. 2018;171:1–15. https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2018.04.013

5. Wang X., Zhang Q., Huang Y., Ji J. An Efficient Method for Determining Dem Parameters of a Loose Cohesive Soil Modelled Using Hysteretic Spring and Linear Cohesion Contact Models. Biosystems Engineering. 2022;215:283–294. https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2022.01.015

6. Qi L., Chen Y., Sadek M. Simulations of Soil Flow Properties Using the Discrete Element Method (DEM). Computers and Electronics in Agriculture. 2019;157:254–260. https://doi.org/10.1016/j.compag.2018.12.052

7. Mudarisov S., Farkhutdinov I., Khamaletdinov R., Khasanov E., Mukhametdinov A. Evaluation of the Significance of the Contact Model Particle Parameters in the Modelling of Wet Soils by the Discrete Element Method. Soil and Tillage Research. 2022;215:105228. https://doi.org/10.1016/j.still.2021.105228

8. Saunders C., Ucgul M., Godwin R.J. Discrete Element Method (DEM) Simulation to Improve Performance of a Mouldboard Skimmer. Soil and Tillage Research. 2021;205:104764. https://doi.org/10.1016/j.still.2020.104764

9. Aikins K.A., Ucgul M., Barr J.B., Jensen T.A., Antille D.L., Jack M.A. Determination of Discrete Element Model Parameters for a Cohesive Soil and Validation Through Narrow Point Opener Performance Analysis. Soil and Tillage Research. 2021;213:105123. https://doi.org/10.1016/j.still.2021.105123

10. Makange N.R., Ji C., Torotwa I. Prediction of Cutting Forces and Soil Behavior with Discrete Element Simulation. Computers and Electronics in Agriculture. 2020;179:105848. https://doi.org/10.1016/j.compag.2020.105848

11. Mudarisov S., Lobachevsky Y., Farkhutdinov I., Khasanov E., Rakhimov I. Justification of the Soil Dem-Model Parameters for Predicting the Plow Body Resistance Forces During Plowing. Journal of Terramechanics. 2023;109:37–44. https://doi.org/10.1016/j.jterra.2023.06.001

12. Song X., Dai F., Zhang X., Chen H., Zhang F., Zhao W. Numerical Analyses Ridge-Forming for Whole Film-Mulching and Double Ridge-Furrow, a Discrete Element Method. Computers and Electronics in Agriculture. 2023;215:108364. https://doi.org/10.1016/j.compag.2023.108364

13. Hoseinian S.H., Hemmat A., Esehaghbeygi A., Shahgoli G., Baghbanan A. Development of a Dual Sideway-Share Subsurface Tillage Implement: Part 2. Effect of Tool Ggeometry on Tillage Forces and Soil Disturbance Characteristics. Soil and Tillage Research. 2022;215:105200. https://doi.org/10.1016/j.still.2021.105200

14. Liu L., Wang X., Zhang X., Cheng X, Wei Z., Zhou H., et al. The Impact of ‘T’-Shaped Furrow Opener of No-Tillage Seeder on Straw and Soil Based on Discrete Element Method. Computers and Electronics in Agriculture. 2023;213:108278. https://doi.org/10.1016/j.compag.2023.108278

15. Liu K., Sozzi M., Gasparini F., Marinello F., Sartori L. Combining Simulations and Field Experiments: Effects of Subsoiling Angle and Tillage Depth on Soil Structure and Energy Requirements. Computers and Electronics in Agriculture. 2023;214:108323. https://doi.org/10.1016/j.compag.2023.108323

16. Godzhaev Z., Mudarisov S., Farkhutdinov I. Evaluation of the Influence of the Discrete Elements’ Shape on the Results of Soil Modelling. Springer International Publishing. 2022;602‒611.

17. Mudarisov S.G., Farkhutdinov I.M., Yamaletdinov M.M., Bagautdinov R.Yu., Kinzyabulatova E.R. [Dual-Level Anchor Coulter]. Patent 207,073 Russian Federation. 2021 March 22. 4 p. (In Russ.)

Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.